一种宽波段光学隔离器及其制作方法与流程

1.本发明涉及一种宽波段光学隔离器及其制作方法，属于光学隔离器技术领域。


背景技术：

2.光学隔离器是一种防止光逆向传输的无源器件，在激光器、激光装备和光通讯等设备中可以起到防止可逆光对光源等核心部件造成损坏的作用。传统的光隔离器是基于法拉第效应，当给磁光晶体加以特定大小的磁场时，偏振面会发生旋转，由于旋转方向取决于磁场方向，而不是光的传播方向。因此，旋转是不可逆的。
3.在磁光晶体两端成45
°
对置偏振器，构成光学隔离器。线偏振光经过第一个偏振器之后进入法拉第旋光器，法拉第旋光器将入射光的偏振方向旋转45
°
，然后光通过另一个线偏振器出射。出射光的偏振方向相对于入射光旋转45
°
。在反向光路中，由于磁场方向不变，旋转方向与正向光路中相同，此时光的偏振方向相对入射光旋转了90
°
，从而光的偏振方向垂直于第一个偏振片的透射轴，将从第一个偏振器侧面发射出去。
4.磁光隔离器的关键在于磁致旋光效应，根据公式：β＝v
×b×
d，其中β为旋转量，v为维尔德常数，b为磁通量密度，d为通过光学材料的路径。由于维尔德常数与波长有关，所以同一磁光晶体在不同波长下的维尔德常数不同，这就导致磁光隔离器对特定波长的隔离度比较高，虽然可以通过调节波片等方式来增加隔离器适应波长范围，但调节范围非常有限(调节范围＜300nm)，加之磁光晶体的通过波段比较窄(500-1500nm)，导致调节之后隔离器的隔离度和透过率明显降低，影响隔离器性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种宽波段光学隔离器及其制作方法，该光学隔离器利用电光晶体的一次电光效应(普克尔效应)，在电光晶体两端呈45
°
对置偏振器，对电光晶体施加大小的电压之后，光的偏振面旋转45
°
；保持电光晶体电场方向不变，返回电光晶体的光相对入射光旋转90
°
，再从偏振器a的侧面射出，有效防止光路逆向传输。本发明提供的光学隔离器的调节方式简单、响应速度快、响应波长宽、不会降低隔离度。
6.本发明的技术方案为：
7.一种宽波段光学隔离器，包括沿光路方向依次设置的偏振器a、电光晶体和偏振器b；电光晶体外接高压直流驱动电源，用于对电光晶体施加定向电场；
8.经过偏振器a的偏振光进入电光晶体，电光晶体施加电压，电光晶体产生双折射，使得偏振光所处偏振面旋转45
°
，再经过偏振器b之后透射出去；反射光经偏振器b之后再进入电光晶体，由于施加在电光晶体的电场方向和大小不变，偏振光经过电光晶体之后与入射光呈90
°
，从而从偏振器a的侧面射出。
9.根据本发明优选的，偏振器a的起偏方向与偏振器b的起偏方向呈45
°
夹角。
10.根据本发明优选的，所述电光晶体为磷酸二氢钾(kdp)、磷酸二氘钾(dkdp)、磷酸
二氢铵(adp)、磷酸二氢铷(rdp)，并且电光晶体外接电压为的纵向电场，的计算公式：式中，λ为激光波长即光学隔离器隔离的激光波长，n0为晶体o轴折射率，γ
mk
为电光系数。
11.根据本发明优选的，所述电光晶体是为铌酸锂(ln)、磷酸钛氧钾(ktp)、偏硼酸钡(bbo)、磷酸钛氧铷(rtp)、硅酸镓镧(lgs)，并且电光晶体外接电压为的横向电场，的计算公式为：式中，λ为激光波长，n0为晶体o轴折射率，γ
mk
为电光系数，d为晶体施加电场距离，l为通关长度。光传播方向与电场方向平行的情况称为纵向电光效应，光传播方向与电场方向垂直的情况成为横向电光效应。通过调节施加与电光晶体上的v
λ/4
电压来调节对应波长的旋光特性，在不增加损耗和降低隔离度的前提下，满足宽波段的光隔离要求。
12.根据本发明优选的，所述偏振器a和偏振器b为格兰棱镜、偏振分光器、偏振平板分束镜、偏振光束分离器、偏振分束器、沃拉斯特偏振器等偏振分束元件中任一种。
13.根据本发明优选的，电光晶体、偏振器a和偏振器b均采用水冷散热。
14.根据本发明优选的，所述光学隔离器作为自用空间隔离器或光纤耦合隔离器。自由空间光隔离器可以允许空间光直接经过隔离器，而光纤耦合隔离器，是将光耦合入光纤之后再经过光隔离器。
15.上述宽波段光学隔离器的制作方法，包括：
16.在电光晶体的两侧设置偏振器a、电光晶体和偏振器b，并使得偏振器a的起偏方向与偏振器b的起偏方向呈45
°
夹角；
17.根据光晶体的种类来确定施加在电光晶体上电场的大小和方向：当电光晶体为磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、磷酸二氢铵、磷酸二氢铷时，在电光晶体外接电压为的纵向电场；
18.当电光晶体为铌酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡、磷酸钛氧铷、硅酸镓镧时，在电光晶体外接电压为的横向电场，从而完成宽波段光学隔离器的制作。
19.根据本发明优选的，偏振器a、偏振器b与电光晶体为一体设计或分体设计。
20.本发明的有益效果为：
21.1.本发明利用电光晶体的一次电光效应(普克尔效应)实现偏振光的旋转，可以通过改变电场强度调节隔离器中心波长，调节方式简单、响应速度快、不会降低隔离度。相比于磁场来调节隔离器中心波长，电场具有调节速度快、精度高等优点。相较于磁光晶体的高透光(＞90％)波段较窄难以覆盖紫外到中红外波段全波段，本技术将电场施加于电光晶体上，凭借电光晶体优异的宽透过光谱、高损伤阈值已经纳秒量级的光电相应时间，可以实现宽波段高速的光电隔离效果。
22.2.本发明所采用电光晶体具有很高的光学透过波段，如kdp在400-1100nm，bbo晶体的透过波段在200-2100nm，rtp在700-2600nm左右。而且在调节隔离器响应波长的同时，不会增加插入损耗。
23.3.本发明相比与传统的磁光隔离器，选择具有宽透过波段的电光晶体，可以实现隔离波段调节范围大于2000nm。
24.4.本发明结合不同的电光晶体，可以实现深紫外到中远红外波长范围内的光学隔离。
附图说明
25.图1为本发明提供的新型超宽带光学隔离器的原理图。
26.图2为本发明提供的新型超宽带光学隔离器的结构示意图。
27.1、偏振器a，2、电光晶体，3、偏振器b，4、电场，5、直流驱动电源。
具体实施方式
28.下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
29.实施例1
30.一种宽波段光学隔离器，如图1和图2所示，包括沿光路方向依次设置的偏振器a1、电光晶体2和偏振器b3；电光晶体2外接高压直流驱动电源5，用于对电光晶体2施加定向电场4；本发明提供的新型超宽带光学隔离器的原理图如图1所示，电光晶体2通过直流驱动电源5施加电场4。
31.经过偏振器a1的偏振光进入电光晶体2，电光晶体2施加电压，电光晶体2产生双折射，使得偏振光所处偏振面旋转45
°
，再经过偏振器b3之后透射出去；反射光经偏振器b3之后再进入电光晶体2，由于施加在电光晶体2的电场4方向和大小不变，偏振光经过电光晶体2之后与入射光呈90
°
，从而从偏振器a1的侧面射出。
32.实施例2
33.根据实施例1提供的一种宽波段光学隔离器，区别之处在于：
34.偏振器a1的起偏方向与偏振器b3的起偏方向呈45
°
夹角。
35.电光晶体2为磷酸二氢钾(kdp)、磷酸二氘钾(dkdp)、磷酸二氢铵(adp)、磷酸二氢铷(rdp)，并且电光晶体2外接电压为的纵向电场4，的计算公式：的计算公式：式中，λ为激光波长即光学隔离器隔离的激光波长，n0为晶体o轴折射率，γ
mk
为电光系数。
36.实施例3
37.根据实施例1提供的一种宽波段光学隔离器，区别之处在于：
38.电光晶体2是为铌酸锂(ln)、磷酸钛氧钾(ktp)、偏硼酸钡(bbo)、磷酸钛氧铷(rtp)、硅酸镓镧(lgs)，并且电光晶体2外接电压为的横向电场4，的计算公式为：式中，λ为激光波长，n0为晶体o轴折射率，γ
mk
为电光系数，d为晶体施加电场4距离，l为通关长度。光传播方向与电场4方向平行的情况称为纵向电光效应，光传播方向与电场4方向垂直的情况成为横向电光效应。通过调节施加与电光晶体2上的v
λ/4
电压来调节对应波长的旋光特性，在不增加损耗和降低隔离度的前提下，满足宽波段的光隔离要求。
39.实施例4
40.根据实施例1提供的一种宽波段光学隔离器，区别之处在于：
41.偏振器a1和偏振器b3为格兰棱镜、偏振分光器、偏振平板分束镜、偏振光束分离器、偏振分束器、沃拉斯特偏振器等偏振分束元件中任一种。
42.电光晶体2、偏振器a1和偏振器b3均采用水冷散热。
43.光学隔离器作为自用空间隔离器或光纤耦合隔离器。自由空间光隔离器可以允许空间光直接经过隔离器，而光纤耦合隔离器，是将光耦合入光纤之后再经过光隔离器。
44.实施例5
45.实施例1-4任选一个实施例提供的宽波段光学隔离器的制作方法，包括：
46.在电光晶体2的两侧设置偏振器a1、电光晶体2和偏振器b3，并使得偏振器a1的起偏方向与偏振器b3的起偏方向呈45
°
夹角；偏振器a1、偏振器b3与电光晶体2为一体设计或分体设计。
47.根据光晶体的种类来确定施加在电光晶体2上电场4的大小和方向：当电光晶体2为磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、磷酸二氢铵、磷酸二氢铷时，在电光晶体2外接电压为的纵向电场4；
48.当电光晶体2为铌酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡、磷酸钛氧铷、硅酸镓镧时，在电光晶体2外接电压为的横向电场4，从而完成宽波段光学隔离器的制作。